第2章直流电机的运行原理

河南科技学院机电学院第2章直流电机的运行原理2.1电力拖动系统的基本概念2.2直流电动机的基本平衡方程式2.3直流电动机的工作特性2.4直流电动机的机械特性2.5直流串励电动机第2章直流电机的运行原理2.1电力拖动系统的基本概念2.2直流电动机的基本平衡方程式2.3直流电动机的工作特性2.4直流电动机的机械特性2.5直流串励电动机电机拖动2.6直流发电机2.6直流发电机2.7电机放大机2.7电机放大机

2.1直流电机的基本概念

电力拖动系统:电动机作为原动机，拖动生产机械完成一定生产任务的系统。电力拖动系统由电动机、生产机械、传动机构、控制设备及电源组成。

2.1.1电力拖动系统的运动方程式

1.运动方程式

(1)直线运动方程式

式中F为电动机产生的拖动力；FL为系统阻力；为惯性力。第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院

(2)旋转运动方程式T为电动机电磁转矩；TL为负载阻转矩，或称负载转矩；J为运动系统的转动惯量，单位,为惯性转矩。运动方程式:

第2章直流电机的运行原理2.1.1电力拖动系统的运动方程式

河南科技学院机电学院

2.电动机工作状态的判断(1)当时，则n=0或n=常值，电力拖动系统处于静止或稳态运行状态，即拖动系统稳定运行状态；(2)当时，电力拖动系统处于起动或调速时的升速运行状态，即过渡过程的升速过程；(3)当时，电力拖动系统处于停车或调速时的减速运行状态，即过渡过程的减速过程。

2.1.2生产机械的负载转矩特性

含义：生产机械的转速与负载转矩之间的关系。包括恒转矩负载、恒功率负载、通风机类负载（泵类负载）三种。

1.恒转矩负载

指生产机械的负载转矩的大小不随转速变化而改变的负载。（1）反抗性恒转矩负载；（2）位能性恒转矩负载。2.恒功率负载当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值。3.通风机类负载（泵类负载）是负载转矩的大小与转速n的平方成正比

。河南科技学院机电学院图2.1反抗性恒转矩负载特性图2.2位能性恒转矩负载特性常数图2.3恒功率负载特性曲线图2.4通风机负载特性曲线第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院

2.2直流电动机的基本平衡方程式电压平衡方程式、功率平衡方程式、转矩平衡方程式。2.2.1电压平衡方程式1.瞬态运行平衡方程式

Ra为电枢回路绕组的电阻和电刷与换向器接触电阻之和。2.稳态运行平衡方程式2.2.2功率平衡方程式1.机械损耗Pm

(1)轴承损耗；(2)电刷摩擦损耗；(3)通风损耗；(4)周边风阻损耗。2.铁耗PFe

(3)磁滞损耗、(3)涡流损耗。3.电阻损耗Pcu(1)励磁损耗可忽略；(2)铜损耗；(3)电刷接触损耗。则4.杂散损耗PΔ

(1)齿槽损耗;(2)电枢反应损耗。5.电磁功率（转换功率）PM第2章直流电机的运行原理图2.5直流他励电动机河南科技学院机电学院（1）电源输入的电功率6.直流电动机的轴上的净输出功率（有效负载）P2

7.直流电动机的功率平衡关系

(1)电源输入的电功率P1

电枢回路：忽略励磁损耗(2)功率平衡平衡方程式(3)功率流程如图2.6所示。2.2.3转矩平衡方程式

根据理论力学转矩的定义。则

,,,T2轴上净输出转矩，T0由机械损耗、铁心损耗和杂散损耗引起的空载转矩。图2.6功率流程图第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院图2.7他励电动机的工作特性

2.3直流电动机的工作特性以他励直流电动机为例，工作特性是在端电压额定，励磁电流额定，电枢回路不串加电阻的条件下转速、电磁转矩、效率随输出功率变化的关系。实际上工作特性常常讨论的是。2.3.1转速特性2.3.2转矩特性2.3.3效率特性1.不变损耗（空载损耗）p02.可变损耗（铜耗）pa3.效率

令：，则当不变损耗与可变损耗相等时效率最大。这一结论适合于直流发电机、变压器、交流电机。第2章直流电机的运行原理n0:理想空载转速。河南科技学院机电学院2.4直流电动机的机械特性机械特性是指电动机的转速与其转矩(电磁转矩)之间的关系。即n=f(T)曲线。2.4.1机械特性方程式

根据工作特性方程式及电磁转矩公式，可得，也可写成。式中ß为机械特性硬度;ß大，硬度小，运行稳定性差，反之则稳定性好。2.4.2固有机械特性当直流他励电动机端电压额定，磁通额定，电枢回路附加电阻为零时的机械特性称为固有机械特性。1.固有机械特性曲线2.固有机械特性特点(1)对任何一直流电动机，固有机械特性只有一条；(2)特性曲线斜率小ß较小，特性较平坦，属硬特性。当磁通Φ随负载及电枢电流增加而减少时，会使转速趋向上升，称为上翘特性。图2.8直流他励电动机的机械特性第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院图2.9电枢串接电阻时的人为机械特性

2.4.3直流电动机的人为机械特性将固有机械特性方程式的U、Ra、Φ

三个参数中的两个参数保持不变，人为地改变另一个参数，可得三种不同的人为机械特性。

1.电枢串接电阻时的人为机械特性

电枢串接电阻时的人为机械特性与固有机械特性相比，具有如下一些特点：

(1)理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻的变化而变化；

(2)变化电枢串接电阻，可获得不同斜率的射线族；

(3)随着的加大，特性的斜率增加，转速降落加大，特性变软，稳定性变差。第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院2.电源电压改变时的人为机械特性电源电压改变，一般是将额定电压向下改变，而不能向上调，这是由电机的耐压决定的。图2.10电源电压改变时的人为机械特性1－;2-

;3－电源电压改变时的人为机械特性的特点：

(1)理想空载转速n0发生变化，随电源电压的而降低；

(2)由于RK=0，特性斜率β不变，机械特性由一组平行线所组成；

(3)特性斜率β不变，转速降落Δn不变，因此其特性较串联电阻时硬。第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院图2.11减弱磁通的人为机械特性曲线

3.改变主磁通时的人为机械特性

正常运行时，在额定磁通下工作，即磁路已接近饱和，所以改变主磁通只能是减弱磁通。

减弱磁通时的人为机械特性的特点:

(1)理想空载转速n0与磁通Φ成反比，即当Φ下降时，n0上升；

(2)不同的磁通，所得的机械特性曲线斜率不同；

(3)磁通Φ下降，特性斜率β上升，且与Φ的平方成反比，特性情况下变软；

(4)一般情况下Φ下降，n上升，但负载过大速度n反而会下降。2.4.4机械特性的计算与绘制请同学们自行分析第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院2.4.5电力拖动系统稳定运行的条件

所谓电力拖动系统稳定运行,是指系统在扰动作用下离开原来得平衡状态，仍能在新的运行条件下达到新的平衡，或者在扰动消失后，能够回到原来的平衡状态。1.稳定运行的要求

系统在扰动作用下能达到新的平衡，扰动消失后能够回到原平衡状态。2.稳定运行的分析3.稳定运行的条件

(1)必要条件：电机机械特性与负特性须有交点,即存在载转矩T=TL；

(3)充分条件：在交点处，满

足或者说在交点以上的转速部分满足T<TL。而在交点以下的转速部分满足T>TL。（a）稳定运行工作点（b）不稳定运行工作点。图2.12电力拖动系统稳定运行的工作点第2章直流电机的运行原理

2.5直流串励电动机

2.5.1直流串励电动机的接线与特点

接线如图2.13，特点：励磁绕组串入电枢回路。

河南科技学院机电学院图2.13直流串励电动机的接线图图2.14串励电动机的转矩和转速特性图2.15串励电动机的机械特性第2章直流电机的运行原理2.5.3串励电动机机械特性

1.空载或轻载运行

(1)特性软;(2)易“飞车”。

2.负载运行

负载较大时，由于磁路已饱和，每极

磁通变化不大。其特性与他（并）励电动

机的机械特性基本相似。2.5.2串励电动机的工作特性

1.转速特性

(1)空载或轻载运行特性方程

(2)负载特性如图2.14A点右边。

2.转矩特性

图2.14A点左边。

3.效率特性

河南科技学院机电学院图2.16直流他励发电机的接线图

2.6直流发电机2.6.1直流他励发电机1.直流他励发电机的接线图

(1)在电压与反电动势的形式上，直流他励发电机与直流他励电动机相同；

(2)电枢回路的电流，直流他励发电机与直流他励电动机方向相反；

(3)在直流他励发电机中，电磁转矩为阻转矩，原动机的机械转矩为拖动转矩；直流他励电动机，电磁转矩为拖动转矩，机械转矩（主要是负载转矩）为阻转矩，方向上二者相反。

2.电压平衡方程式2.6.2直流他励发电机的特性1.空载特性符合磁化特性

图2.17直流他励发电机空载特性第2章直流电机的运行原理第2章直流电机的运行原理2.6.2直流他励发电机的特性河南科技学院机电学院2.外特性

他励发电机电枢电流变化引起端电压变化的关系。

(1)电枢电阻（内阻）的影响；

(2)电枢反应的影响。3.调节特性

保持端电压基本不变，根据负载变化,适当调节励磁电流即

(1)减小电枢电阻（内阻）；

(2)减小电枢反应的影响采用自动控制，随着负载电流的增大，励磁电流也应略微增大，以确保端电压基本不变或降压较小。4.应用他励发电机的电压变化率很小，且其励磁电流能在相当大的范围内调节。因此，他励方式适用于需要大幅度调压的大型发电机。工业上应用的6～24V的低压直流发电机和超过600V的高压直流发电机也采用他励。2.18直流他励发电机外特性

图2.19直流他励发电机调节特性

河南科技学院机电学院图2.20直流并励发电机的接线图

图2.21并励发电机的自励发电特性1—空载特性2—励磁电阻线3—临界电阻线2.6.3直流并励发电机1.直流并励发电机的接线图2.空载特性3.并励直流发电机发电的条件(1)并励发电机内部必须有一定的剩磁,若剩磁较弱，可采用激磁；

(2)励磁绕组接线极性要正确；

(3)励磁电阻RL小于或等于临界电阻RfLj。2.6.4直流并励发电机的负载运行1.并励发电机外特性特性如图2.22曲线3（2号为他励曲线）。2.影响端电压下降的因素

(1)电枢电阻（内阻）的影响；

(2)电枢反应的影响；

(3)励磁绕组并接方式的影响。复励发电机的串励磁通势与并励磁通势方向一致为积复励，曲线1较好。图2.22直流发电机空载特性第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院

2.7电机放大机

电机放大机又称为交磁扩大机。它实际上是一台二级直流发电机。

2.7.1电机放大机的工作原理

控制绕组加控制电压UK产生磁通ΦK，电枢绕组切割ΦK产生感应电动势Eq，约几伏，如图2.23中电枢外表面所标的·和×。电刷1、2称交轴电刷，短接后电枢绕组中会产生较大的电流Iq，电枢产生磁通Φq，方向如图2.23。电枢另一绕组又切割磁通Φq，产生电动势Ed，方向如图2.23中电枢内表面所标的·和×表示。电刷3、4称为直轴电刷，直轴电刷对外输出，可得输出电压Ud。控制电压Uk，励磁电流Ik一般都不大，而输出电压Ud较高，电流较大。较小的输入功率变化引起了较大输出功率的变化，这就是功率放大。输出功率与输入功率之比称为功率放大系数，一般电机放大机放大系数为20～100。因为电机放大机是利用交轴磁通Φq来放大的，所以，又称为交磁扩大机，扩大就是放大功率的意思。

电机放大机相当于两级直流发电机并且转速高，气息小、气隙小、材料好，因此其功率放大系数很大，可达1000～10000，可作为自动调节系统的调节元件。若作为直流发电机的励磁电压，则可获可控的励磁电流。第2章直流电机的运行原理图2.23电机放大机的原理图

河南科技学院机电学院2.7电机放大机图2.24电机放大机定子上各绕组分布2.7.2电机放大机的结构1.定子(1)控制绕组：加控制电压称控制信号。(2)补偿绕组：Id产生的磁通Φd对控制绕组中的磁通ΦK有强烈的去磁作用，使电机放大机无法工作。为了抵消磁通Φd，在大槽和小槽中嵌放补偿绕组Nb与电枢绕组串联，产生的磁通Φb和ΦK同方向，抵消Φd的去磁作用，补偿了ΦK的变化。(3)换向绕组：在直轴方向装有换向绕组,是因为电机放大机的输出电流较大，为了改善直轴换向，在中槽内嵌放了换向绕组NH，也与电枢绕组串联。(4)交轴助磁绕组:嵌放在中槽内串接到交轴两电刷间，产生的磁通与Φq同方向，改善了交轴的换向。(5)去磁绕组：为了减小电机放大机的剩磁和磁滞回线，磁轭上还绕有交流去磁绕组，所加工频交流电压为1～3V。2.转子电机放大机的转子（电枢）上有交轴绕组与直轴绕组。第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院2.7电机放大机图2.25电机放大机的空载特性

2.7.3电机放大机的特性电机放大机的特性分为空载特性和外特性。1.电机放大机的空载特性电机放大机不接负载时，由交流电动机拖动到额定转速，电动势Ed随控制绕组的磁势IkNk变化而变化的特性称为电机放大机的空载特性。第2章直流电机的运行原理从图2.25中可看出，当电机放大机的磁势IkNk较小时，随着IkNk的增加，电机放大机的电动势Ed增加较慢